干货｜一份不错的LDO电容选型指南
为什么电容的选择至关重要?电容往往被人们所忽视。电容既没有数以亿计的晶体管,也没有采用最新的亚微米制造工艺。在许多工程师的心目中,电容不过是两个导体加上中间的隔离电解质。 工程师们通常通过添加一些电容的办法来解决噪声问题。这是因为他们普遍将电容视为解决噪声相关问题的“灵丹妙药”,很少考虑电容和额定电压以外的参数。但是,和其他电子元器件一样,电容也有缺陷,例如寄生电容、电感、电容温漂和电压偏移等非理想特性。 为许多旁路应用或电容实际容值非常重要的应用选择电容时,必须考虑上述这些因素。电容选择不当可能会导致电路不稳定,噪声或功耗过大,产品寿命缩短,以及电路行为不可预测等现象。 电容技术电容具有各种尺寸、额定电压和其它特性,能够满足不同应用的具体要求。常用电介质材料包括油、纸、玻璃、空气、云母、各种聚合物薄膜和金属氧化物。每一种电解质都具有一系列特定属性,可满足每种应用的独特需求。 多层陶瓷电容多层陶瓷电容(MLCC)同时具有小型、有效串联电阻和电感 (ESR和ESL)低、工作温度范围宽的优点,通常是作为旁路电容的首选。 它并非无可挑剔。根据所用的电介质材料,电容可能随温度变化和交直流偏置发生大幅偏移。此外,因为在许多陶瓷电容中介电质材料具有压电性,振动或机械冲击可能会转化为电容上的交流噪声电压。在大部分情况下,此噪声一般处于 微伏范围内。但在极端情况下,可能会产生毫伏级的噪声。 VCO、PLL、RF PA以及低电平模拟信号链等应用对电源轨上的噪声非常敏感。这种噪声在VCO和PLL中表现为相位噪声,而在RFPA中则为载波振幅调制。在EEG、超声波和CAT扫描前置放大器等低电平信号链应用中,噪声会导致在这些仪器的输出中出现杂散噪音。在所有这些噪声敏感应用中,必须认真评估多层陶瓷电容。 选择陶瓷电容时是否考虑温度和电压效应非常重要。多层陶瓷电容选型部分谈到了根据公差和直流偏置特性来确定某个电容的最小电容值的过程。 虽然陶瓷电容仍有缺点,但对于许多应用都能够实现尺寸最小性价比最高的解决方案,因此在当今几乎每一类电子设备上都能看到它们的身影。 多层陶瓷电容选型输出电容ADI公司LDO设计采用节省空间的小型陶瓷电容工作,但只要考虑ESR值,便可以采用大多数常用电容。输出电容的ESR会影响LDO控制回路的稳定性。为了确保LDO稳定工作,推荐使用至少1μF、ESR为1Ω或更小的电容。 输出电容还会影响负载电流变化的瞬态响应。采用较大的输出电容值可以改善LDO对大负载电流变化的瞬态响应。图1至3所示为输出电容值分别为1μF、10μF和20μF的ADP151的瞬态响应。 因为LDO控制环路的带宽有限,因此输出电容必须提供快速瞬变所需的大多数负载电流。1μF电容无法持续很长时间供应电流并产生约80mV的负载瞬变。10μF电容将负载瞬变降低至约70mV。将输出电容提高至20μF,LDO控制回路就可捕捉并主动降低负载瞬变。测试条件如表1所示。
表1. 测试条件
图1.输出负载瞬态响应,COUT = 1 μF
图2.输出瞬态负载响应,COUT = 10 μF
图3.输出负载瞬态响应,COUT = 20 μF 输入旁路电容在VIN和GND之间连接一个1μF电容可以降低电路对PCB布局的敏感性,特别是在长输入走线或高源阻抗的情况下。如果要求输出电容大于1μF,应选用更高的输入电容。 输入和输出电容特性只要符合最小电容和最大ESR要求,LDO可以采用任何质量良好的电容。陶瓷电容可采用各种各样的电介质制造,温度和所施加的电压不同,其特性也不相同。电容必须具有足以在工作温度范围和直流偏置条件下确保最小电容的电介质。建议在5V应用中使用电压额定值为6.3V或10V的X5R或X7R电介质。Y5V和Z5U电介质的温度和直流偏置特性不佳,建议不要使用。 图4所示为0402、1μF、10V、X5R电容的电容与电压偏置关系特性。电容的电压稳定性受电容封装尺寸和电压额定值影响极大。一般来说,封装较大或电压额定值较高的电容具有更好的电压稳定性。X5R电介质的温度变化率在-40°C至 85°C温度范围内为±15%,与封装或电压额定值没有函数关系。 考虑电容随温度、元件容差和电压的变化时,可以利用公式1确定最差情况下的电容。
公式1其中:CBIAS为工作电压下的有效电容。 本例中,假定X5R电介质在40°C至 85°C范围内的最差情况电容(TVAR)为0.15(15%)。假设电容容差(TOL)为0.10(10%), CBIAS在1.8 V时为0.94μF,如图4所示。 将这些值代入公式1中可得到:
在此示例中,LDO指定在期望工作电压和温度范围内的最小输出旁通电容为0.70μF。因此,针对此应用所选的电容满足此要求。
图4. 电容与电压偏置特性的关系 结束语为了保证LDO的性能,必须了解并评估旁通电容的直流偏置、温度变化和容差对所选电容的影响。此外,在要求低噪声、低漂移或高信号完整性的应用中,也必须认真考虑电容技术。所有电容都会受到非理想行为的影响,但一些电容技术比其他技术更适合于某些特定应用。
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